变电站数字孪生系统的调试策略分析

变电站数字孪生系统的调试策略分析

刘业标

中国能源建设集团云南火电建设有限公司 云南昆明 650000

摘要:数字孪生变电站是数字孪生电网最基本、最重要的组成部分。通过建设与物理变电站相对应的数字化变电站，促进变电站运行和控制的智能化、数字化，为电网数字化改造奠定基础。数字孪生变电站可以深度挖掘电网数据资产价值，实现智能运维、精准运维、远程协同，实现“数”与“智”的融合。通过推进数字化电网建设，新型电力系统可以更好地服务于“双碳”目标。

关键词:变电站数字孪生系统;调试;策略;分析;研究

1数字孪生技术

数字孪生是指以数字化方式建立多维度、多时空尺度、多学科、多物理量的物理实体动态虚拟模型的过程。它通过建模和仿真的方法来表征真实环境中物理实体的属性、行为、规则等，具有数字化驱动、闭环反馈、实时交互三大特点。

数字孪生应用程序的主要任务是创建应用程序对象的数字孪生模型。数字生态系统与物理生态系统的虚实共生、相互反馈演绎，整合人、机、物世界全生命周期的实时数据，通过对现实的不断迭代优化和虚拟控制，实现整个物理系统的优化目标。目前，数字孪生模型多采用Grieves教授等人最初定义的3D模型，由现实世界中的物理实体、数字世界中的虚拟实体及其连接组成。陶飞等人将三维模型进一步扩展为五维模型，包括对象实体、虚拟模型、服务、融合数据以及它们之间的联系。

目前，数字孪生技术在能源电力行业的应用研究还处于理论探索阶段，实用化数字孪生系统的开发相对较少。学者们设计了数字孪生能源电力系统框架，讨论了构建智能数字孪生电力系统所面临的关键问题和核心技术，展望了数字孪生技术在电力系统中的应用前景。其中，从数字孪生智能电网运行控制的角度出发，以“源负荷存储”等分布式组件为重点，设计了多智能体协调控制体系结构;还有针对光伏发电设备的基于特定场景的数字孪生模型，以及针对风电场的基于数字孪生的运营模型。

2变电站数字孪生系统体系结构

2.1感知层

感知层由传感器层和数据汇聚层两部分组成，由各种物联网传感器和网络节点组成，实现传感器信息的采集和汇聚。传感器层用于获取变电站内部的设备状态、运行状况、环境等参数。通过安装各种传感器，对变电站的主要设备和环境变量进行综合采集和感知。如用于监测电网运行的电压电流互感器、用于监测气体的SF6传感器、用于监测环境的温湿度传感器、用于设备声振、红外、局部放电在线监测系统的传感器等。数据汇聚层对数据进行采集和收集，实现数据的协同采集、集成和通信功能，如出线间隔测控装置、并合单元等。

2.2传输层

传输层连接物理变电站和数字孪生，是实现数字孪生变电站之间虚实协作和时空一致性的通道。它具有无处不在、可靠的通信能力、灵活的终端接入和双向交互能力，为广覆盖、大连接、高安全的数据传输和能力保障提供了保障。满足双数据传输需求的通信方式包括光纤、5G、电力无线专网等。变电站建有电力光纤网络，带宽速率完全满足数字孪生数据传输的需要。

2.3平台层

平台层是数字双城变电站的信息处理中心，实现数据处理、数据同步映射、三维建模、双城管理、协同计算、智能分析处理、可视化等功能，为特定应用场景提供业务接口。平台层包括数据中心、人工智能平台、物联网管理平台、调度自动化系统等接口，满足变电站开放接入、海量数据存储、多源异构数据融合处理等需求。虚拟电网以超逼真的方式对物理电网进行建模，通过表征分析、挖掘分析和仿真演绎，形成虚拟电网与物理电网协同的优化策略。

2.4应用层

应用层利用变电站的数字孪生实现实时监控、虚拟巡逻、远程协作、安全控制、状态评估等功能，推动变电站运营管理模式的数字化转型。如果结合其在设备层的自主缺陷诊断和故障预警，以及现场和远程的友好交互应用，可以实现主动故障预警和设备的智能运维。应用层通过变电站设备与电网的数字孪生模型开展衍生应用，可以辅助现场运维人员模拟工作环境，提高工作效率，保障工作安全。

3数字孪生系统在变电站的实例分析

3.1系统背景

本文选取110kV变电站数字双星系统进行实例分析。根据《变电站数字孪生系统调试验收规范》，制定了变电站数字孪生系统调试方案。

3.2系统调试项目

(1)三维数字模型遵循2018版《电网工程数字化交付标准》进行验证，实现了选择、旋转、放大等功能。确保三维数字模型部件的数量和功能与站内实物一致，三维空间部件的位置与现场实物一致。(2)与集成应用服务器通信调试成功，可以正常接收E文件。(3)与数字孪生系统主站进行通信调试。(4)根据《变电站数字双系统标准化功能技术规范》，对一次设备分系统进行调试，使其具备一次设备、继电保护和安全自动装置、综合电源、安全防范系统、辅助控制系统的移动、缩放、旋转、三维数字模型选择能力;可一次查询设备的管理参数、设计参数、实时测量信息，支持3D画面切换到相应的系统设计图。检查数字孪生系统与设备、继电保护及安全自动装置、综合电源、安全防范系统、辅助控制系统发出的实际报警信号是否一致，并与三维模型联动;同时查看三维数字模型的报警数据统计。(5)审查系统的水平边缘保护是否正确使用反向和正向隔离装置，并确认这些装置是否建立了不必要的监管程序，禁止数字孪生系统通过反向隔离装置进入生产控制区的操作系统。(6)对操作系统和数据库进行安全检查，实现身份认证、访问控制、安全审计、入侵防御、恶意代码防御等功能。

4调试过程中遇到的问题及其解决方案

(1)问题1:辅助控制系统和数字孪生系统在功率区IV和II通道存在网络通道混乱和重叠，辅助控制系统的局域网(摄像机/辅助控制主设备)存在网络安全漏洞风险。问题原因:数字孪生系统在初始设计时没有考虑网络安全问题，只配置了一个网络接口卡，并且在系统防火墙内没有将端口相互隔离。解决方案:数字孪生系统采用多端口网卡与辅助控制系统区分电源IV区和电源II区，并在系统防火墙中设置端口相互隔离。

(2)问题2:在现场模拟遥测和远程信令报警测试中，发现数字孪生系统通过SVG数据报警。问题原因:一些SVG文件的命名不标准，例如objectname是一个纯数字/-1，这会导致3D数字模型的遥测绑定失败。解决方案:通过SingID更改SVG以符合规范，并将其绑定到3D数字模型。

(3)问题3:数字孪生系统主站没有接收到的数据，没有生成主站需要传输的点信息模型XML文件。问题原因:由于禹唐数字孪生系统分站与后端数据不匹配，数字孪生系统分站在解析数据时只能解析0或1，而通过集成应用服务器传输的后端数据有2，导致分站无法解析和上传主站数据。解决方法:修改站点的数字孪生系统代码，使其兼容解析后端数据，并完成数据上传到主站点。

5结论

变电站数字孪生系统作为数字孪生电网的关键组成部分，可以为提高变电站设备和环境的实时感知能力、设备健康状态的在线诊断、促进设备隐患故障定位和维护效率的提高、实现设备全生命周期管理提供强有力的支持。基于数字孪生系统的运维模式可以有效提高设备运维的精益管理水平，减少现场操作的频率，降低现场操作过程中的误操作风险;通过对设备状态的准确评估，可以延长设备的使用寿命，实现资产增值。在管理方面，可以给变电站的运行管理、运行管理、安全管理、施工管理带来新的业务决策模式转变;在业务方面，实施数字孪生技术的应用，通过信息系统分析和决策，提供数字孪生变电站的实时运行状态反馈，支持变电站内的业务模拟和实时智能控制。真正实现了从预防性维护向预测性维护的转变，使运维管理更高效、生产作业更精准、成本支出更精简、安全防御更主动、人员配置更密集。

参考文献：

[1]王林,晏锋,任重,等.基于数字孪生技术的变电站运维平台的研究[J].电工技术,2021,(21):167-168+171.

[2]田子昭.三维虚拟牵引变电站交互仿真系统设计与实现[D].兰州交通大学,2021.

[3]高赛.数字孪生的变电站巡检系统数字化模型[D].华北电力大学,2021.